声发射第三章--声发射波的探测(2015年11月)

1、第第三三章章声发射波的探测声发射波的探测声发射检测就是检测接收声发射信号并进声发射检测就是检测接收声发射信号并进行分析得到声发射源（缺陷）的信息。行分析得到声发射源（缺陷）的信息。tV贮罐油面内 置 前放 的 传感器信 号 电缆线内置声发射卡计算机系统腐蚀点腐蚀信号大型储罐检测示意大型储罐检测示意球罐检测示意球罐检测示意常压储罐的声发射检测常压储罐的声发射检测低温储罐的声发射检测低温储罐的声发射检测常压储罐底板声发射检测的开罐验证常压储罐底板声发射检测的开罐验证由于声发射信号的每个脉冲都包含着一个频率谱，由于声发射信号的每个脉冲都包含着一个频率谱，这个频率谱所包括的频率范围可以从几赫兹到几十这

2、个频率谱所包括的频率范围可以从几赫兹到几十兆赫兹，因此，在进行某项具体的检测工作时，首兆赫兹，因此，在进行某项具体的检测工作时，首先应该知道所要检测的材料先应该知道所要检测的材料(缺陷缺陷)在外力作用下产在外力作用下产生的声发射的大致频率范围，然后再从这个总范围生的声发射的大致频率范围，然后再从这个总范围内选择一个最适合的频率窗口，以便滤去噪声的干内选择一个最适合的频率窗口，以便滤去噪声的干扰。一般的机械噪声和电气噪声的频率都比较低，扰。一般的机械噪声和电气噪声的频率都比较低，因此在声发射检测中首先要确定频率窗口的上下限。因此在声发射检测中首先要确定频率窗口的上下限。在频率窗口确定后，就能依此

3、为根据来选定传感器在频率窗口确定后，就能依此为根据来选定传感器和带通滤波器。和带通滤波器。 前放前放主放主放参数采参数采集处理集处理记录记录显示显示第一节第一节 压电效应压电效应 压电效应分类压电效应分类正压电效应、逆压电效应。正压电效应、逆压电效应。 正压电效应正压电效应当某些电介质沿一定方向受外力当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生正负作用而变形时，在其一定的两个表面上产生正负异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，态，这种现象就被称为正压电效应这种现象就被称为正压电效应正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应当

4、在电介质的极化方向施加电场，当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定的方向上将产生机械变形或机某些电介质在一定的方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，失，这种物理现象称为逆压电效应。这种物理现象称为逆压电效应。第一节第一节 压电效应压电效应压电效应的特点压电效应的特点压电效应是可逆的，正压压电效应是可逆的，正压电效应和逆压电效应的总称为压电效应。习惯电效应和逆压电效应的总称为压电效应。习惯上把正压电效应称为压电效应。上把正压电效应称为压电效应。 第一节第一节 压电效应压电效应 压电常数电介质受力所产生的电荷与外力的

5、大小成正比，比例系数为压电常数(压电应变常数、压电电压常数、厚度振动频率常数、机电耦合系数)。它与机械形变方向有关，对一定材料一定方向则为常量。电介质受力产生电荷的极性取决于变形的形式（压缩或伸长）。 厚度振动频率常数当压电晶片的厚度t等于该频率下的半波长时，压电晶片将产生共振,t=0.5 , t=0.5v/f，ft=常数。压电晶片的谐振频率与厚度的乘积为一常数，大约为0.5倍波速。第一节第一节 压电效应压电效应压电材料具有明显压电效应的材料称为压电材料。常用的有石英晶体、铌酸锂LiNbO3、镓酸锂LiGaO3、锗酸铋Bi12GeO20等单晶和经极化处理后的多晶体如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系列

6、压电陶瓷PZT。锆钛酸铅压电材料灵敏度高,是声发射传感器常用材料。铌酸锂居里点达1200 ，可用作高温传感器。第一节第一节 压电效应压电效应 新型压电材料：有高分子压电薄膜（如聚偏二氟乙烯PVDF）和压电半导体（如ZnO、CdS）。 单晶材料的压电效应是由于这些单晶受外应力时其内部经格结构变形，使原来宏观表现的电中性状态被破坏而产生电极化。经极化（一定温度下加以强电场）处理后的压电陶瓷、高分子压电薄膜的压电性是电畴、电极偶子取向极化的结果。 第一节第一节 压电效应压电效应 压电材料的优点压电材料制成的压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏

7、度和信噪比高等优点， 压电材料的缺点压电材料制成的压电转换元件的主要缺点是无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有250左右。第一节第一节 压电效应压电效应 正压电效应的应用利用正压电效应制成的压电式传感器，将压力、振动、加速度等非电量转换成电量，从而进行精密测量。利用正压电效应研制的压电电源、煤气炉和汽车发动机的自动点火装置等多种电压发生器；在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换成力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。 第一节第一节 压电效

8、应压电效应 逆压电效应的应用利用逆压电效应可制成超声波发生器、压电扬声器、频率高度稳定的晶体振荡器（如每昼夜误差210-5s的石英钟、表）等。逆压电效应可用于声发射信号产生。 声发射探头的压电元件：第一节第一节 压电效应压电效应第二节第二节 传感器传感器 声发射传感器（探头、换能器）可以把声发射信号转换成电信号的装置。 传感器工作原理传感器是利用某些物质（如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性体和超导体等）的物理特性随着外界待测量作用而发生变化的原理制成的。利用了诸多的效应（包括物理效应、化学效应和生物效应）和物理现象，如利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等效应，把应变、湿度、温度、位移、

9、磁场、煤气等被测量变换成电量。在声发射检测过程中，通常使用的是压电效应。 传感器的主要元件传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成 。 这些元件的功能是： 敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量（包括电学量）。 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量，如位移、应变、应力、光强等转换为电学量（包括电路参数量、电压、电流等）。 转换电路：将电路参数（如电阻、电感、电容等）量转换成便于测量的电量，例如电压、电流、频率等。 第二节第二节 传感器传感器 有些传感器只有敏感元件，如热电偶，它感受被测温差时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需转换电路，例如压电式加速度传感

10、器。还有些传感器由敏感元件和转换电路组成，如电容式位移传感器。有些传感器，转换元件还不只一个，要经若干次转换才输出电量。 第二节第二节 传感器传感器 声发射传感器的组成一般由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线及高频插座组成。压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸钡和铌酸锂等。根据不同的检测目的和环境采用不同结构和性能的传感器。其中，谐振式高灵敏度传感器是声发射检测中使用最多的一种。 第二节第二节 传感器传感器1压电元件 2壳 3上盖 4导线5高频插座 6吸收剂 7底座 8保护膜 n声发射传感器的结构单端谐振式传感器第二节第二节 传感器传感器 传感器的输入与输出传感器的输入与输出传感器的输入端作用

11、是传感器的输入端作用是力、位移或者速度，输出则为电压力、位移或者速度，输出则为电压。可以认为力、。可以认为力、位移或者速度转化为电压的整个系统为线性系统。位移或者速度转化为电压的整个系统为线性系统。在分析线性系统时，并不关心系统内部的各种不在分析线性系统时，并不关心系统内部的各种不同的结构情况，而是要研究激励和响应同系统本同的结构情况，而是要研究激励和响应同系统本身特性之间的联系。身特性之间的联系。d(t) 系统系统 T(t) u(t) n传感器输出传感器输出u(t)是电学量的电压标量，输入是电学量的电压标量，输入d(t)可以是表面可以是表面原子的位移、力学量的力矢量原子的位移、力学量的力矢量

12、F(x,t)、速度矢量、速度矢量V(x,t)等，等，简化处理假定只有垂直分量作用在传感器上。由此建立输简化处理假定只有垂直分量作用在传感器上。由此建立输入与输出两组标量之间的转换关系。入与输出两组标量之间的转换关系。 第二节第二节 传感器传感器 传感器灵敏度T为灵敏度可用对数表示，为频率，U为传感器的输出电压、D为表面原子的垂直位移分量或表面压力垂直分量。 假定传感器所在区域的输入参量是均匀的，就可排除与位置的相关性。（传感器有一定的大小，作用在每点上的力学量不同，而实际测出的是对作用在作用面上的平均值。传感器的输入和它所在的位置有关）假定传感器的输入就是无传感器时的输入。（传感器的存在会改变

13、所在部位的输入的大小）通常声发射传感器采用钢材进行标定。（传感器与标定试块的机械阻抗匹配影响传感器的标定结果） )()()(DUT第二节第二节 传感器传感器 传感器灵敏度曲线传感器灵敏度曲线 即频率灵敏度曲线。传感器可以根据特定的校准方法，给出频率灵敏度曲线，据此可根据检测目的和环境选择不同类型、不同频率和灵敏度的传感器。 第二节第二节 传感器传感器 声发射传感器灵敏度要求声发射传感器灵敏度要求在一般情况下，传在一般情况下，传感器的灵敏度要求不低于感器的灵敏度要求不低于0.5千伏千伏/米米.秒秒-1。 前置放大器要求前置放大器要求由传感器接收到的信号转换由传感器接收到的信号转换为电信号后，由同

14、轴屏蔽电缆馈送给前置放大器。为电信号后，由同轴屏蔽电缆馈送给前置放大器。在前置放大器中信号得到放大，提高信噪比。一在前置放大器中信号得到放大，提高信噪比。一般要求前置放大器具有般要求前置放大器具有4060分贝的增益，噪声电分贝的增益，噪声电平不超过平不超过5微伏，并有比较大的输出动态范围和频微伏，并有比较大的输出动态范围和频率宽度。率宽度。 声发射传感器应真实反映声源信息，即传感器将声发射传感器应真实反映声源信息，即传感器将检测到的信号转换为电信号时，应尽量减少畸变检测到的信号转换为电信号时，应尽量减少畸变 第二节第二节 传感器传感器 传感器的标定传感器的标定 用激励源对传感器的技术参数进行核

15、准。 传感器的标定方法 因激励源和传播介质不同，可以组成多种多样的方法，但是不管哪一种方法，目前都没有被普遍承认。 激励源 用于激发声发射信号的装置。 激励源的种类噪声源、连续波源和脉冲波源三种类型。属于噪声源的有氦气喷射、应力腐蚀和金镉合金相变等；连续波源可以由压电传感器、电磁超声传感器和磁致伸缩传感器等产生；脉冲波源可以由电火花、玻璃毛细管破裂、铅笔芯断裂、落球和激光脉冲等产生。 第二节第二节 传感器传感器 作为标定传感器用的激励源要求 在测量的频率范围内，希望具有恒定的振幅。 实际标定传感器用的声发射激励源脉冲源。 脉冲源种类及性质在脉冲源中，激光脉冲设备昂贵，限制了它的应用；玻璃毛细管

16、很难做到壁厚均匀，在使用中难以获得良好的重复性；落球法获得的信号频率低；电火花法受气候、湿度和其它因素影响；铅笔芯断裂法受操作人和材料表面条件影响。第二节第二节 传感器传感器激光脉冲法的标定 原理如下：在一个大的铝块上置一水箱，利用二氧化碳脉冲激光器发出的激光光束与水的表面作用，在水中产生冲击波，用非接触的光学方法测量冲击波的压力，控制冲击波的强度。置于铝块下表面的待定传感器接收冲击波。 第二节第二节 传感器传感器玻璃毛细管破裂装置 工作原理：标定块为762762381毫米，重量为两吨的软钢块，内部无缺陷（经无损检测），第二节第二节 传感器传感器 玻璃毛细管和待定传感器置于中心位置附近。传感器

17、接收到信号的记录时间是130微秒，在记录时间内，应不受边界反射波的影响。传感器接收的信号经放大和滤波后，由瞬态记录仪存储记录，经计算机进行频谱分析。玻璃毛细管的直径为 0.30.25毫米，用一个石英力规测量压破玻璃管的力。用电容传感器作为标准传感器测量由于玻璃毛细管破裂产生脉冲波的垂直位移，实际测得的结果与根据理论计算公式进行比较。 第二节第二节 传感器传感器 电火花法原理：是在两个电极上加高压电源，使极间的空气击穿，空气击穿产生的声波入射到固体介质表面转换为表面波。也可将标定块（金属介质）作为一个电极，另一个电极和它之间直接产生火花。当入射角满足时(C空气与C表面分别为空气与标定块表面的声速

18、)，将在固体表面激励出频率丰富的表面波。对钢或铝一类的标定块来说，a大约在7度左右。这种方法容易使标定块表面受蚀。电火花法 表面空气CCsin第二节第二节 传感器传感器电火花装置第二节第二节 传感器传感器断裂铅笔芯 断裂铅笔芯原理：可以产生一个阶跃函数形式的点源力。采用直径为0.3毫米的、2H石墨铅笔芯。这种方法简单、经济、重复性好，而且调节铅笔芯直径、长度和倾角就可以改变力的大小和方向。载荷突然释放的时间与玻璃毛细管相近（0.1微秒），适当地配用力规也可以测出力的大小。采用阶跃点力产生弹性波的格林函数数值计算方法，计算40微秒接收波形结果与实验相一致。铅笔芯断裂源设备简单容易携带常应用于工程

19、应用现场的传感器标定。 第二节第二节 传感器传感器断裂铅笔芯装置第二节第二节 传感器传感器 标定块要求在实际标定传感器的工作中，标定块尺寸总是有限的，但是只要标定块的厚度大于三倍瑞利波波长，在标定块表面传播的波形主要就是瑞利波。对于每一个脉冲源的作用，传感器响应的振铃持续时间约为100微秒，在这段时间内，需要避免边界反射波的干扰，就是说标定块尺寸应足够大。其表面具有足够的光洁度，以避免表面对波的衰减作用。 第二节第二节 传感器传感器 实际现场声发射检测中的传感器标定多通道声发射系统工程应用中还常用声发射传感器自身产生声发射信号来进行传感器性能简易标定（具体方法是输入给系统中某声发射传感器电脉冲

20、使其产生声信号并在应用对象中传播，其它传感器接收这个信号，根据接收信号的有无、幅度大小、波形频率特征等情况判断传感器的工作情况。）或用铅笔芯折断标定。第二节第二节 传感器传感器第三节第三节 传感器的耦合和安装传感器的耦合和安装 声发射信号经传输介质、耦合介质、换能器、测量电路而获取，接受到的信号影响因素很多。因此，在传感器表面和检测面的耦合以及传感器的安装等细节方面都要严格要求。 传输介质m(t),M()耦合介质c(t),C()传感器 x(t),X()声发射源s(t),S() 输出信号f(t),F() 耦合剂的作用耦合剂的作用充填接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响声波的穿透；其

21、次是通过耦合剂的“过渡”作用，使传感器与检测面之间的声阻抗差减小，从而减小能量在此界面的反射损失。另外，还起到“润滑”作用，减小传感器面与检测面之间的摩擦。 第三节第三节 传感器的耦合和安装传感器的耦合和安装 耦合剂的性能要求如下：(1) 声衰减系数小，透声良好；(2) 声阻抗介于传感器的材料与检测材料之间，匹配良好；(3) 粘附力低，容易擦掉；(4) 粘滞性适中，使用时不会流淌，又容易挤出；(5) 保湿性适中，不容易干燥；(6) 外观上色泽鲜明，透明度高，不含气泡；(7) 均匀性好，不含颗粒或杂质，使用时不堵塞管口；(8) 稳定性好，不变色、不改变稠度、不分层、不析出、不变质、不腐败；(9)

22、 不腐蚀或损坏传感器。第三节第三节 传感器的耦合和安装传感器的耦合和安装 传感器的固定方法传感器的固定方法传感器的固定方法主要包括机械固定、粘接固定和磁吸附固定方式。选择何种固定方式主要根据传感器的类型和待测面表面情况和对声发射信号的影响情况所决定。 第三节第三节 传感器的耦合和安装传感器的耦合和安装 波导波导有些情况不能将声发射传感器直接放在被测试对象的表面例如高温、低温、表面疏松等，而需要通过波导实现声联接即通过波导接收声发射信号。常见的波导有金属棒或金属管组成的波导，一端固定（焊接或机械连接）在检测对象表面，另一端面上放置声发射传感器。 第三节第三节 传感器的耦合和安装传感器的耦合和安装

23、第四节第四节 传感器的分类及选择传感器的分类及选择 传感器的主要类型高灵敏度传感器，是应用最多的一种谐振式传感器；宽频带传感器，通常由多个不同厚度的压电元件组成，或采用凹球面形与楔形压电元件达到展宽频带的目的；高温传感器，通常由铌酸锂或钛酸铅陶瓷制成；差动传感器，是由两只正负极差接的压电元件组成的，输出相应的差动信号，对共模噪声有好的抑制能力；此外，还有微型传感器、磁吸附传感器、低频抑制传感器和电容式传感器等。第四节第四节 传感器的分类及选择传感器的分类及选择 就声发射源定位而言，实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属材料（如压力容器等），这类材料的声学各向异性较小，声波衰减系数也很小，频带范围

24、大多是25KHz750KHz，因此选用谐振式传感器比较适合。 谐振式传感器参数技术的基础归结于两个基本假设： (1) 声发射是阻尼正弦波； (2) 声波是以某一固定的速度传播的。第四节第四节 传感器的分类及选择传感器的分类及选择 根据上述假设，对声发射信号参数，如上升时间、峰值幅度、持续时间等测量、记录所得到的声发射特征是合理的。传播特性上，谐振传感器参数技术的假设意味着传播信号除了单纯衰减以外，它的声波形状是不变的。它是以不变的波形和不变的声速获取声发射信号的参数。 事实上，大部分在工程应用的构件是板材、锻件、管材，在这些工件中，包括使用广泛的实验室试件，传输的声波都不是一个单一的传播模式，

25、而是在每一种模式中包括以不同波速传播的多种频率在内的多种波形模式，在某一特定情况下，某种传播模式占优。 第四节第四节 传感器的分类及选择传感器的分类及选择 宽带响应的传感器宽带响应的传感器在不清楚与源有关的力学机理的情况下，用谐振式传感器来测量声发射信号有其局限性。为了测量到更加接近真实声发射信号来研究声源特性，就需要使用宽带传感器来获取更广频率范围的信号。宽带响应的传感器的主要优点是采集到的声发射信号丰富，全面，当然其中也包含着噪声信号。传感器是宽带、高保真位移或速度传感器以便捕捉到真实的波形。 第四节第四节 传感器的分类及选择传感器的分类及选择 宽带传感器的幅频特性曲线宽带传感器的幅频特性曲线 差动式传感器由两个压